瓦斯治理機械擴孔快速卸壓增透技術及應用

楊計南 李傳光

（永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 476600）

在瓦斯災害治理方面，施工抽采鉆孔為其主要方法，卸壓增透預抽瓦斯為其主要措施。順和煤礦2404 工作面采用穿層鉆孔+水力沖孔工藝進行瓦斯治理時，由于自身煤層條件限制，導致其沖孔效率較低，加長了其工程施工的工期，對實際生產工作產生了影響。在瓦斯抽采方面，針對鉆孔卸壓增透影響的范圍[1-5]，需要根據瓦斯地質情況進一步采取技術措施提高其增透效果。

1 原瓦斯抽采鉆孔存在的問題

順和煤礦位于永城市，該礦原始瓦斯壓力0～0.58 MPa，殘存瓦斯壓力0～0.2 MPa，原始瓦斯含量1.22～11.21 m3/t，殘存瓦斯含量2.64～4.668 8 m3/t，瓦斯濃度0～0.1%，相對瓦斯涌出量0～0.11 m3/t，絕對瓦斯涌出量0～0.13 m3/min，瓦斯放散初速度20.7～22.6，煤堅固系數0.82～3.00，目前礦井主采二2 煤。2404 工作面平均埋深665 m，煤層平均厚度1.97 m，煤層硬度系數f=1～3，相對較大。煤塵無爆炸危險性，為Ⅲ類不易自燃煤層。2404 工作面對瓦斯問題進行治理時，所采用的的工藝是水力沖孔增透+穿層鉆孔技術。此工藝技術對水力沖孔具體流程的一些參數有硬性要求，一般該過程的水壓不能低于18 MPa，且需要花費40 min 才能沖孔1 m 距離。這表明其擁有較低的沖孔效率，這種狀態下沖出煤粉非常困難。

2 現改進卸壓技術

2.1 現改進卸壓原理

現改進的卸壓技術，其原理如圖1。此技術是使存在于煤體中的原始應力狀態發生改變，進而卸載煤體所承受的壓力。為了實現這個效果，就要增大煤體的暴露面積，一般會將大塊完整煤層分割以達到此效果。在進行機械切割時會使用高壓水等方法，卸載煤體的承受壓力，同時也有利于煤層中瓦斯的抽取采集。煤層中能量、應力、瓦斯釋放自由空間的增大，煤層透氣性的增強，瓦斯釋放能力的提高，都是由于煤層空隙的增加。

圖1 改進卸壓技術原理

2.2 改進卸壓技術所使用的擴孔設備

改進卸壓技術所使用的擴孔設備由高壓密封鉆桿總成、可變徑機械擴孔裝置、固液分離機、高壓清水泵站、全液壓坑道鉆機等主要部分組成。其中，固液分離機型號為KFS-50/11 礦用振動篩式，高壓清水泵站型號為BQWL315/16-XQ315/12，全液壓坑道鉆機型號為ZDY7300LX 履帶式。

（1）可變徑機械擴孔裝置。該裝置可以自動進行低壓正常打鉆、高壓刀臂打開進行擴孔等過程。可以完成大孔徑卸壓作業，因為其刀體的擴孔直徑較大，為500 mm，在擴孔裝置進行正常作業打鉆時，對清水泵站的水壓力有所限制，一般要求其不超過4 MPa，否則可能會導致無法正常進行鉆孔。在擴孔裝置進行正常作業擴孔時，當清水泵站的水壓力處于6～8 MPa 區間狀態時，進行齒輪刀壁推動過程。此過程齒條活塞向下移動的過程同步進行，而齒輪刀壁的推動也會使其開始打開，刀壁的打開程度最終會隨著壓力的升高達到最大，直至完全打開，此時再進行擴孔工藝。

（2）高壓清水泵站。作為機械擴孔工藝中的專用設備，一方面，該設備具有很多結構上的優點，比如勞動強度低、效率高、各裝置排布緊湊、方便轉移等等；另一方面，也有一些功能上的優點，水泵站可以抑制粉塵，降低粉塵危害。

（3）全液壓坑道鉆機。該鉆機特點為體積小、大扭矩、功能性強、一體化設計、結構緊湊、全液壓操作等等，屬于大直徑機械旋轉切割應用的鉆機。

2.3 機械擴孔技術工藝

（1）將鉆桿、鉆頭、高壓旋轉接頭進行連接，并對高壓清水泵及擴孔設備進行調試。

（2）鉆孔打開的過程要保持持續緩慢地進行推進。此過程的目的是為了糾正鉆孔的孔位，防止其偏移。

（3）在鉆孔打開過程結束后開始進行鉆孔，依次連接鉆孔使用的鉆桿。在此過程中，孔內會出現反水現象，此時應注意觀察具體情況，并進行合理供水，一般多選用靜壓水或者345 水泵。注意此過程水泵壓力小于3 MPa。在打鉆過程中，著重觀察注意鉆機主泵的壓力表，如果出現頂鉆，或者出現排粉不暢，則可能是由于主泵壓力過高。如果出現了不能順暢地排出粉塵的情況，往前推進鉆孔之前應及時排粉，進行前后推拉，最終到達擴孔位置后，推進打孔過程結束。

（4）315 清水泵站壓力待退擴孔位置時開始緩慢調整，此時要保持鉆機動力頭原地低速旋轉。機械擴孔鉆頭裝置剛開始啟動時，應設置其壓力為4～6 MPa，具體初始壓力確定過程應緩慢調試進行，機械擴孔的鉆頭在此過程逐漸打開。待其完全打開后，清水泵站的壓力開始緩慢調整，使其壓力緩慢增大控制在6～8 MPa。在擴孔階段完成之前，鉆頭都將保持現狀緩慢推進。

（5）擴孔階段結束后，即擴孔完成后，水泵壓力開始發生變化，其壓力值開始緩慢下降。此階段先將裝置后退一段距離，為0.5 m 左右。在調整水泵壓力過程中進行刀柄的沖洗，是為了防止機械擴孔鉆頭刀柄內夾雜煤粉等異物。等到水泵壓力的壓力值消失后收合機械擴孔鉆頭，此過程進行前應先后退1 m 左右距離，是為了防止機械擴孔鉆頭未能完全收合。

（6）待一個擴孔段工藝流程結束后，可根據施工計劃和步驟，依次繼續施工下一個擴孔段。

3 工程實踐及應用效果

位于順和煤礦24 采區的軌道順槽底抽巷編號為2404，擁有892 m 的設計總工程量，在-702 m 水平建設為其開口位置。施工過程為先水平掘進3 m，再上山掘進，上山掘進過程中控制角度為13°。西翼回風巷道考慮實際地質環境及開采情況采用支護形式為“錨網+錨索”。礦井西翼二2 煤層具體參數見表1，2404 軌道順槽底抽巷巷道布置圖如圖2。

表1 礦井西翼二2 煤層具體參數

圖2 2404 軌道順槽底抽巷巷道布置圖（m）

對表2 的數據進行分析，數據結果表明，機械擴孔的沖孔煤量會隨著鉆孔傾角的增大而增大，隨著其減小而減小；傾角較小時，其平均每米的沖煤量可低至0.2～0.3 m3；一些孔的擴孔時間相對較長，其出煤量較多，如7-a#孔、8-a#孔和10-a#孔，煤量達到了0.6～0.8 m3/m，7-a#孔作為初始實驗孔，初次實驗沖出來的煤量相對較多，這是為了盡可能地多沖出煤量為后續實驗提供參數參考。數據統計的結果表明，整個實驗記錄數據為3338 min 的鉆孔時間，130.6 m 的擴孔段長度，74.99 m3的出煤量，共測試了19 個機械擴孔鉆孔。計算可得出其平均每米的煤孔擴張時間和擴出煤量，分別為25 min 和0.57 m3。相比于水力沖孔，使用該方法進行擴孔其時間減少了17 min/m，煤量增加了0.3～0.4 m3/m。

表2 機械擴孔鉆孔參數表

統計分析機械擴孔的抽采濃度，可得出以下結論：80%的機械擴孔鉆孔擁有較高始抽濃度，此部分鉆孔濃度均在80%～100%之間，這說明始抽時其濃度的效果較佳；持續監測濃度較好的鉆孔瓦斯濃度數據，發現在7～10 d 這段時間，其濃度會緩慢衰減；在此監測范圍內的鉆孔存在個別濃度值較低情況，分析其原因為出水或負壓等其他原因影響，重復監測異常現象會消失。

4 結論

以順和煤礦2404 工作面區域瓦斯鉆孔治理為背景，詳細介紹了2404 軌道順槽底抽巷實施的機械擴孔快速卸壓增透技術原理、工藝及效果。相比于水力沖孔，在擴孔煤量方面，0.3～0.4 m3/m 為機械擴孔增加量，同時長鉆孔及近水平鉆孔沖孔技術方面，該技術解決了一些問題，比如煤量、不易沖孔等等；另一方面，與水力沖孔相比，機械擴孔在施工效率上可節約15 min/m，減少40%。工程實踐表明，機械擴孔快速卸壓增透技術提高了工作面區域瓦斯治理效果，保證了工作面的正常回采。